酸污染原状黄土渗透微观特征演变规律试验研究

研究污染黄土的渗透特性能够为污染场地的治理提供经济高效的方案措施。以蒸馏水作为渗液,采用GDS三轴渗透仪通过室内试验研究了盐酸、硝酸和硫酸侵蚀黄土的渗透特性变化规律,并从微观结构的变化进行机制分析。试验结果表明:相同固结应力条件下,不同类型污染土的渗透系数均随酸液浓度的增大而降低;随着酸液浓度增大,污染土骨架连接方式由点-点接触向点-面接触、面-面接触转变,土体内部大孔隙消散、小孔隙增多使得有效渗流孔隙减少,导致污染土渗透系数降低;相同试验条件下不同类型污染土渗透性能变化规律为:硫酸<硝酸<盐酸<水,即酸液增强了黄土防渗及防污性能。研究结果以期为黄土地区的工程活动和防污治理提供有效参考。     

混合重金属离子侵蚀饱和黏性土渗透特性试验研究

渗透特性是表征黏性土层防渗能力及防污性能的关键控制因素,黏土衬垫渗透系数的正确选择对保证垫层的防污效果具有极其重要的意义。采用柔性壁渗透仪,通过室内试验研究了混合重金属离子共存情况下侵蚀饱和黏性土的渗透特性变化规律。试验结果表明,将可溶性铜、铬离子混合与铜、锰离子混合溶液作为渗液,黏性土渗透性均随着掺入离子浓度比例的增大而逐渐增强,且相同试验条件下,铜、铬离子混合溶液作为渗液测得的黏土渗透系数值大于铜、锰离子混合溶液作为渗液测得的渗透系数值。混合重金属离子的存在削弱了黏土垫层作为工程防污屏障服役的能力,并对黏土层的水力传导性起到了劣化作用。试验土样微观结构分析表明,渗液特性的改变影响了土样内部的微观结构,随着渗液混合离子质量比的增大,土样中出现了凝聚体且有效输运孔隙通道增大,与宏观渗透特性的变化规律相吻合。研究结果能够为有效评估黏土防污屏障的防渗隔污能力及研究堆场渗液在黏土垫层中的运移机制提供参考。     

无机盐溶液作用下砂-膨润土竖向隔离屏障材料化学相容性试验研究

土-膨润土竖向隔离屏障广泛应用于城市工业污染场地。化学溶液作用下屏障材料的化学相容性,即渗透系数及其变化程度,是评价防污性能的关键因素。通过柔性壁渗透试验研究重金属铅-锌复合、六价铬作用下砂-膨润土竖向隔离屏障材料渗透系数的变化规律。由于无机盐溶液中铅、锌、钙对膨润土双电层的压缩,铅-锌复合、钙溶液作用下屏障材料试样渗透系数随金属浓度升高而增大。铅-锌复合作用下,金属浓度增至500mmol/L时试样渗透系数增幅达11倍,且无法满足防渗要求。相反,由于铬以阴离子络合形式存在,其对试样渗透系数影响相对小;与未污染状态测定结果相比,渗透系数增幅≤2倍。在膨润土孔隙比基础上,考虑无机盐溶液对膨润土膨胀特性的影响,建立无机盐溶液作用前后砂-膨润土竖向隔离屏障材料渗透系数统一预测方法。     

无机盐溶液作用下砂-膨润土竖向隔离屏障材料化学相容性试验研究

土-膨润土竖向隔离屏障广泛应用于城市工业污染场地。化学溶液作用下屏障材料的化学相容性,即渗透系数及其变化程度,是评价防污性能的关键因素。通过柔性壁渗透试验研究重金属铅-锌复合、六价铬作用下砂-膨润土竖向隔离屏障材料渗透系数的变化规律。由于无机盐溶液中铅、锌、钙对膨润土双电层的压缩,铅-锌复合、钙溶液作用下屏障材料试样渗透系数随金属浓度升高而增大。铅-锌复合作用下,金属浓度增至500 mmol/L时试样渗透系数增幅达11倍,且无法满足防渗要求。相反,由于铬以阴离子络合形式存在,其对试样渗透系数影响相对小;与未污染状态测定结果相比,渗透系数增幅≤2倍。在膨润土孔隙比基础上,考虑无机盐溶液对膨润土膨胀特性的影响,建立无机盐溶液作用前后砂-膨润土竖向隔离屏障材料渗透系数统一预测方法。     

天然沉积饱和黏土渗透系数试验研究与预测模型

为研究天然沉积土的物理特性、结构状态与应力水平对其渗透特性的影响,采用固结渗透联合试验,对太湖湖沼相粉质黏土原状样与具有不同前期固结压力的重塑样的渗透系数变化规律进行了测定。原状样和重塑样的渗透系数均随固结压力的增大呈非线性减小,且两者的孔隙比与渗透系数的变化模式相一致;而前期固结压力仅影响渗透系数大小。试验结果表明：土体渗透系数随孔隙比的变化规律不受土结构性（颗粒间胶结作用）和应力历史的影响;对于同一土体,渗透系数大小主要由孔隙比决定,进而对试验和相关文献中不同土体渗透系数在压缩过程中变化规律进行了分析,建立了线性的lg(1+e)-lgkv渗透模型,并考虑了液限的影响,对渗透指数 的经验关系进行了修正,修正后的 计算结果更接近于实测值。研究结果对准确分析原位地基实际受荷过程中非线性固结性状具有重要意义。     

养护龄期和铅含量对磷酸镁水泥固化/稳定化铅污染土的固稳性能影响规律及微观机制

采用磷酸镁水泥（MPC）对铅污染土进行固化/稳定化处理。基于无侧限抗压强度试验、渗透试验和浸出试验,研究了养护龄期和铅含量对污染土固稳性能的影响规律。试验结果表明：固化土的强度随养护龄期增加而增大,渗透系数和浸出浓度减小,7 d龄期的固化土强度和浸出浓度分别为0.36 MPa、1.75 mg/L,均满足环境安全标准;铅含量对固化土的强度及渗透特性的影响均存在临界值,为500 mg/kg。铅含量低于临界值时,固化土的强度随着铅含量的增加而增加,渗透系数随着铅含量的增加而减小。浸出浓度随铅含量的增加而增加,但浸出浓度均低于浸出安全标准。压汞试验结果表明,随养护龄期的增大,固化土孔隙体积减小,铅含量不超过临界值时,固化土孔隙体积随着铅含量的增大而减小。扫描电镜试验结果表明：随着养护龄期的增加,土颗粒团聚化越明显,胶结程度加强;铅含量不超过临界值时,土颗粒团聚体增多。镁钾磷酸盐晶体（MKP）主要通过减少孔径大于0.1 ?m的孔隙体积来影响固化土的渗透特性。     

重塑饱和黄土长期渗流劣化机制及其渗透性分析

为研究重塑饱和黄土在长期渗流条件下的劣化机制,以杨凌Q3黄土为研究对象,用pH=4的稀乙酸溶液作为渗透液加速劣化,通过长时间的常规渗透试验和不同围压下的三轴渗透试验,测量了渗透系数随时间的变化过程,分析了渗透系数随时间的变化规律,探讨了重塑饱和黄土在长期渗流条件下的劣化机制。结果表明：渗透系数随着渗透时间持续减小,与时间符合幂函数关系;渗透系数是反映黄土劣化最敏感的参数;最小孔隙比面的孔隙比决定了渗透系数的大小;最小孔隙比面的孔隙比与初始孔隙比的比值可以用来描述黄土长期渗流的劣化程度,其比值定义为黄土长期渗流劣化率;结合黄土的非线性渗透模型提出了在一定围压下三轴渗透试验渗透系数与黄土长期渗流劣化率的关系式,进而推导出黄土长期渗流劣化率随时间的变化关系式。     

原状与重塑黄土冻融过程渗透特性对比试验研究

通过冻融条件下西安Q₃原状和重塑黄土的电镜扫描观测和三轴固结渗透试验,对比分析了冻融作用对原状和重塑黄土渗透特性的影响规律。结果显示:冻融条件下原状与重塑黄土微观结构均发生明显变化,土体胶结连接强度变差且颗粒排列更加松散,孔隙比增加,渗透性增强。冻融作用对原状和重塑黄土表面结构破坏均较严重,但原状黄土表面结构破坏程度较重塑黄土更为强烈;冻融过程产生的裂缝使得土中水分渗流和迁移的通道形成,导致原状与重塑黄土体渗透性增强。冻融条件下原状与重塑黄土渗透系数随含水率增加均先增大后减小,表现出抛物线变化特征;渗透系数随冻融次数增加均先增大然后趋于稳定,表现出指数增大特征;渗透系数随围压增大均先减小然后趋于稳定,表现出指数下降特征;相同条件下原状黄土渗透系数高于重塑黄土;原状与重塑黄土渗透系数差异随围压增大逐渐减小。     

关中平原湿陷性黄土渗透特性试验研究

黄土的湿陷性和渗透性相互影响,黄土的湿陷是由水的渗透浸润引起的,而渗透特性又直接决定着湿陷的发生和发展。本研究采用现场双环渗透试验以及原状样室内变水头渗透试验,对关中平原湿陷性黄土渗透特性进行了研究。研究发现黄土的结构、构造以及土体成分是影响黄土渗透性的重要因素,黄土的干密度和孔隙比对其渗透系数影响较大,黄土湿陷后,渗透系数明显变小。现场渗透试验测得的非饱和渗透系数大于室内试验测得的饱和渗透系数,现场渗透试验更贴近于工程实际。     

重金属Cu2+驱动下红黏土土体压缩变形机制

采用浓度为0、2.5、5.0、10.0g/L的CuSO₄溶液配制污染土,开展固结试验、热分析试验和扫描电镜(scanningelectronmicroscopy,简称SEM)试验,分析红黏土受重金属Cu²⁺污染后的压缩变形特性机制。结果表明：红黏土的压缩系数和总压缩变形量的变化与土中孔隙水(自由水、弱结合水、强结合水)含量的变化趋势相同,都随着Cu²⁺浓度的增加呈现先降低后升高的趋势。黏土中土颗粒之间的结构连结主要以吸附水膜接触为主,Cu²⁺改变了土中孔隙水的水膜厚度,导致孔隙水的含量发生变化;水膜变薄,土颗粒间的距离缩短,土体的结构强度越高,土体抵抗压缩变形的能力就越大。随着Cu²⁺浓度的增加,土体微观结构由松散的块状、片状单元体逐渐演化为面-面接触的叠聚体;当Cu²⁺浓度增至10.0g/L,开始出现鳞片状的单元体,单元体间的接触方式以点-点接触和边-面接触为主,土颗粒间的凝聚力变差,土体结构稳定性降低。     

极细颗粒黏土渗流的微电场效应分析

采用渗流固结法试验结合颗粒表面电位分析,研究极细颗粒黏土的渗流的微电场效应,在相同试验条件下完成了5种含不同百分比的人工高岭土与人工膨润土的试样的渗流特性测试。测试结果表明,微孔渗流的微电场效应对极细颗粒黏土的渗流特性有相当显著的影响,随着孔隙液离子浓度的升降或土颗粒表面电位的增减,试样的渗透系数会随之发生改变;在相同的孔隙液离子浓度下,随着膨润土相对含量的增加,试样的渗透系数随之降低。对科威特软土的渗流固结试验证实了人工土的微电场效应的产生机制与变化规律同样适用于天然软土。试验结果分析认为,在黏土-水-电解质系统的相互作用下,黏土矿物通过土颗粒表面的结合水影响试样的渗流特性,而土颗粒表面电荷的微电场作用是极细颗粒黏土渗流特性改变的内在原因之一。     

磷酸镁水泥固化铅污染土的力学特性试验研究及微观机制

采用磷酸镁水泥（MPC）对铅污染土进行固化/稳定化处理。基于无侧限抗压强度试验和渗透试验,研究了MPC添加量、水土比对固化污染土强度及渗透特性的影响规律。结果表明,固化土的强度随MPC添加量增加而增大,渗透系数减小;水土比对固化土的强度及渗透特性的影响均存在临界值,为0.45。低于临界值时,固化土的强度随着水土比的增加而增加,渗透系数随着水土比的增加而减小。压汞试验（MTP）结果表明,随MPC添加量的增大,固化土孔隙体积减小,水土比不超过临界值时,固化土孔隙体积随着水土比的增大而减小。扫描电镜试验结果表明,随着MPC添加量的增加,土颗粒团聚化越明显,胶结程度加强;水土比不超过临界值时,土颗粒团聚体增多。镁钾磷酸盐晶体（MKP）主要通过减少孔径大于1 ?m的孔隙体积来影响固化土的强度和渗透特性。     

膨润土改性黄土衬里防渗性能室内测试与预测

试验测定了膨润土改性黄土试样的渗透系数,研究膨润土改性黄土用作废弃物填埋场衬里的可行性,为天然黏土匮乏地区防渗材料本土化提供依据。选取两种代表性黄土,即黏性较大的兰州黄土(LH)和砂性较大的榆林黄土(YH),分别向其中添加不同比例的两种膨润土后击实成样,利用柔性壁渗透仪测定改性黄土的渗透系数,分析了改性黄土渗透系数随膨润土添加率增大的变化规律,确定了满足衬里防渗要求的膨润土添加率。利用扫描电镜照片统计了改性黄土的孔隙特征参数,发现添加膨润土后黄土中原有的大孔隙被充填或分隔成更多的中、小孔隙,有效阻滞了渗流液体通过,从微观结构的角度揭示了改性黄土渗透性降低的实质。依据实测数据建立了膨润土改性黄土的渗透回归模型,据此可以预测不同添加量的膨润土改性黄土的渗透系数。     

干密度及冻融循环对黄土渗透性的各向异性影响

黄土作为特殊土之一广泛分布于我国中西部季节性冻土地区,以具有明显各向异性的西安Q3原状黄土为研究对象,采用GDS三轴渗透仪测量不同干密度原状黄土竖直向及水平向渗透系数。结果表明,原状黄土水平向渗透系数大于竖直向渗透系数,水平向渗透系数和竖直向渗透系数均随干密度增大而减小;原状黄土渗透各向异性随干密度增大而增强。在封闭系统下用冻融循环箱对干密度相同而初始含水率不同的原状黄土进行冻融试验,结果表明冻融后试样水平向及竖直向渗透系数均随冻融时试样初始含水率的增大而增大;冻融后黄土渗透各向异性随冻融时试样初始含水率的增大而减弱。随着冻融次数增加,黄土水平向及竖直向渗透系数先增大然后趋于稳定;黄土渗透各向异性随冻融次数增加而显著改变,表现在黄土的水平向渗透系数与竖直向渗透系数比值随着冻融循环次数的增加而减小。最后通过观测黄土的微观结构分析了其对黄土渗透性的重要影响。     

淋洗剂乙二胺四乙酸对重金属污染土工程特性的影响

以重金属铅（Pb2+）污染土和淋洗剂乙二胺四乙酸（EDTA）为研究对象,通过批次试验研究了不同浓度EDTA的淋洗对Pb2+污染土的渗透特性、持水特性、压缩特性、抗剪强度等工程特性的影响,为淋洗修复后土壤的二次利用提供参数支持。基于矿物成分、孔隙结构等微观试验,揭示了土壤工程特性变化的内在机制。研究结果表明,当淋洗剂EDTA浓度从0增加到0.15 mol/L,经淋洗修复后的污染土壤pH值从7.94下降到5.12,渗透系数降低超过一个数量级,黏聚力降低50%以上,而内摩擦角增大,持水性能提高,孔隙比从0.81下降到了0.76。微观试验的结果表明,随着淋洗剂浓度的增大,土壤中的蒙脱石、钠长石和伊利石矿物含量减少,石英矿物含量增加,其中蒙脱石含量从7.87%下降到了0.07%,而石英矿物含量增加了11.09%;淋洗后土壤单位质量进汞量由0.22 ml/g降低到0.15 ml/g,土壤总孔隙体积减少。重金属污染土淋洗修复工程在考虑重金属去除率及经济性指标的同时,还应考虑淋洗剂对土壤工程特性的弱化。     

湿干循环作用对压实黏土干裂特性的影响

针对红黏土-膨润土混合土材料在干湿循环作用及复杂化学环境下的性能演化问题,开展了盐溶液入渗作用下红黏土-膨润土混合土的干湿循环试验研究,分析了干湿循环次数、膨润土掺入比、盐溶液浓度对压实混合土材料体变特征与渗透特性的影响,并结合压汞试验揭示了试样收缩变形与渗透系数变化的微观机制。结果表明：随着干湿循环次数的增加,压实红黏土-膨润土混合土试样累计收缩变形逐渐增大,收缩趋势随入渗盐溶液浓度的增加而增大;干湿循环过程中试样渗透系数呈先增大后减少的趋势,且随着盐溶液浓度增加而逐渐降低;增大混合土中膨润土掺量可以提高试样化学相容性,减少胀缩变形并减小渗透系数。压汞试验表明,盐溶液入渗及干湿循环作用导致土体孔隙“双峰”分布特征减弱,土体中的大孔数量及孔径减小,小孔略有增多;随着入渗的盐溶液浓度增加,小孔变化不明显,而土体总孔隙率及大孔数量减小,进而导致土体收缩变形增大、渗透系数减小。

     

NaCl溶液饱和膨胀土的压缩特性及其微观机制

孔隙溶液浓度及组份改变会影响膨胀土颗粒间作用力,改变微观孔隙结构,从而影响土体的物理力学特性。为此,以宁明膨胀土为研究对象,采用不同浓度NaCl溶液制备泥浆预固结重塑样开展一维压缩试验和压汞试验,研究化学作用对重塑天然膨胀土的压缩性和微观孔隙结构的影响规律。结果表明：随着渗透吸力增加,颗粒间水化能力降低,物理化学力使土颗粒由分散状态转变为集聚体状态,形成了集聚体内孔和集聚体间孔,土体表现出双峰孔隙分布特征。预固结样（压力为20 kPa）的初始孔隙比随渗透吸力增加而减小,进而导致固结屈服应力增加;但是渗透吸力对压缩性影响不大,压缩指数和回弹指数基本不变。此外,利用固结系数计算了土体的渗透系数,随着竖向压力增加渗透系数降低;当竖向压力小于200 kPa时,随着渗透吸力增加,渗透系数先增加后减小,但是竖向压力超过200 kPa后,渗透系数变化不大。分析发现,渗透吸力增加导致大孔隙增加,渗透系数增加,但同时密实度增加会导致渗透系数降低,低竖向压力下渗透性受密实度和微观孔隙结构变化耦合作用控制。     

添加沸石对黏性土-膨润土竖向隔离墙材料压缩和渗透特性的影响

土-膨润土系竖向隔离墙广泛应用于工业污染场地和地下水修复工程。通过坍落度和一维压缩固结试验研究添加沸石对黏性土-膨润土竖向隔离墙材料的工作性,以及压缩和渗透特性。黏性土选用高岭土,沸石-高岭土-膨润土试样中沸石掺量为2%～40%。试验结果与以往沸石-砂-膨润土竖向隔离墙材料以及击实沸石-膨润土混合土研究结果进行对比,明确沸石掺量和粒径对压缩和渗透特性的作用规律。试验结果显示,满足隔离墙材料施工要求的含水率范围随沸石掺量增加而增大,并处于液限的0.96～1.18倍。添加细颗粒沸石对试样的压缩指数和渗透系数影响较小,渗透系数小于10-9 m/s。相反,添加粗颗粒沸石将导致微孔隙尺寸增大,并形成水能够通过的沸石网架结构,将显著增大渗透系数。试样渗透系数能够通过考虑孔隙比和液限的经验公式进行良好的预测。     

结构性软土渗透特性研究

本文对原状软土和重塑软土进行渗透特性试验,考察了饱和软土的渗透特性。原状样加载初期,渗透系数变化较小,当固结应力大于结构屈服应力时,渗透系数急剧下降,而结构屈服应力前后阶段的孔隙比与渗透系数对数坐标的直线关系没有发生变化,说明胶结对渗透性的影响较小。重塑土的渗透系数在加载过程中变化相对较小。试验结果表明,相同孔隙比时原状土渗透系数要明显大于重塑土。这是由于两者的组构不一样,即原状样的大颗粒和凝聚体间的大孔隙以及历史上形成的土颗粒的排列使其渗流通道要比重塑土通畅。用相同重塑方式制样得到的不同含水量土样,其渗透系数值相近;而用不同重塑方式制样得到的相近含水量土样,其渗透系数相差相对较大。确定饱和软粘土渗透性时要考虑孔隙比和组构的影响。     

安哥拉红砂与中国马兰黄土渗透特性对比研究

通过室内变水头渗透试验和现场双环注水试验，测试了安哥拉罗安达红砂的渗透系数。基于试验结果并参考相关文献，对比分析了安哥拉红砂与中国马兰黄土的渗透特性。结果表明，室内试验测得的天然红砂渗透系数为现场试验测试结果的1/8，室内试验测得的压实红砂渗透系数与现场试验测试结果相近。红砂渗透系数的对数与孔隙比正相关，随孔隙比增加而线性增加，工程建设中可按孔隙比估算红砂渗透系数。天然状态下红砂渗透系数约为马兰黄土渗透系数的10倍，且现场试验结果均大于室内试验结果。红砂和马兰黄土均存在水平入渗和竖直入渗，但红砂的入渗距离大于马兰黄土。红砂入渗过程主要为非饱和渗透，而马兰黄土入渗过程主要为饱和渗透。研究结果可为红砂地区工程建设提供参考。